El diseño del reactor PHWR se ha desarrollado desde la década de 1950 en Canadá como el CANDU, y desde 1980 también en la India. Los PHWR usan generalmente óxido natural de uranio (0.7% U-235) como combustible, por lo tanto necesitan un moderador más eficiente, en este caso agua pesada (D2O). El PHWR produce más energía por kilogramo de uranio extraído que otros diseños, pero también produce una cantidad mucho mayor de combustible usado por unidad.
El moderador está en un gran tanque llamado calandria, penetrado por varios cientos de tubos de presión horizontales que forman canales para el combustible, enfriados por un flujo de agua pesada a alta presión en el circuito primario de refrigeración, llegando a 290 °C. Tal como en el PWR, el refrigerante primario genera vapor en un circuito secundario para accionar las turbinas. El diseño del tubo de presión permite que el reactor se puede reabastecer de combustible progresivamente sin la necesidad de apagarse, aislando tubos de presión individuales del circuito de refrigeración. También es menos costoso de construir que los diseños con una gran vasija a presión, pero los tubos no han demostrado ser tan duraderos como las vasijas.
Un elemento combustible CANDU consiste en un conjunto de 37 barras de combustible de medio metro de longitud (pastillas de combustible de cerámica en tubos de zircaloy) más una estructura de soporte, con 12 haces que se encuentran de extremo a extremo en un canal de combustible. Las barras de control penetran verticalmente en la calandria, y un sistema de apagado secundario implica la adición de gadolinio al moderador. El moderador de agua pesada que circula a través del cuerpo del recipiente de calandria también produce cierta cantidad de calor.
Nuevos diseños PHWR como el Advanced Candu Reactor (ACR) tienen refrigeración de agua ligera y combustible ligeramente enriquecido (CANDU, 2017).
Los reactores CANDU pueden aceptar una variedad de combustibles y pueden funcionar con uranio reciclado a partir del reprocesamiento de combustible empleado en los LWR, o una mezcla de este y de uranio empobrecido que sobran de las plantas de enriquecimiento. Entonces alrededor de 4000 MWe de un PWR podrían alimentar 1000 MWe de capacidad CANDU, con adición de uranio empobrecido. El torio también se puede utilizar en el combustible.